Richtig löten

Mischverbindungen aus Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen finden vorwiegend als Rohr-Rohr- und als Rohr-Fitting-Verbindung Anwendung in der Industrie. Die Einsteck- bzw. die Überlappverbindung sollte aus Festigkeitsgründen immer bevorzugt werden. Als geeignete Aluminiumwerkstoffe (z. B. für Kältekreisläufe) werden verschiedene Grundwerkstoffe (EN AW 1050, EN AW 5005, EN AW 6060, EN AW 3103) beschrieben. Der AlMn1 (EN AW 3103) dient als Vormaterial für Wärmeübertrager in verschiedenen Werkstoffzuständen. Die Löteignung (Hart- und Weichlöten) wird bei artgleicher Ausführung als gut beurteilt. Kupferwerkstoffe sind in allen Halbzeugausführungen gut bis sehr gut lötgeeignet.

Am häufigsten finden Einsteckverbindungen mit ausgewählten Aluminiumwerkstoffen und Reinkupfer in der Praxis ihre Anwendung. Aufgrund des breiten Einsatzspektrums werden hier vor allem Ergebnisse von flammgelöteten Fügeverbindungen berücksichtigt .

Ziel ist es, den Herstellern und Monteuren von Fügeverbindungen aus Aluminium und Kupfer ein sicheres Verfahren an die Hand zu geben, mit dem qualitativ hochwertige, reproduzierbare und dauerhafte Verbindungen gelötet werden können. Im Vordergrund steht dabei die Lötbarkeit von Mischverbindungen aus Al- und Cu-Rohren im Bereich HVAC.

Stand der Technik

In Tabelle 1 wird beschrieben, dass Verbindungen (stoffschlüssige Fügeverfahren) zwischen Aluminium und Kupfer entsprechend dem Verwendungszweck mit verschiedenen Schweißverfahren hergestellt werden können. Reib- und andere Pressschweißverfahren eignen sich vor allem für Elektro-Baugruppen: Es entstehen Hartlötverbindungen“ durch die Erzeugung einer als Lot“ bezeichneten Zwischenschicht. Bei Verwendung von Schmelzschweißverfahren entstehen hingegen spröde intermetallische Phasen, die man durch Beschichtungen der Kupferseite mit Silberlot, Zink oder Zinn gezielt versucht zu vermeiden. Denn die Sprödphasen beeinträchtigen die Festigkeitseigenschaften der Verbindung.

Auch das Diffusionsschweißen mit sehr langen Haltezeiten unter Druck und Temperatur ist technisch möglich, aber mit einer besonders exakten Rohrvorbereitung verbunden. Die traditionellen Lötverfahren wurden zu diesem Zeitpunkt [2] noch als nicht möglich beschrieben. Die Tabelle 1 (Stand 1972) wurde um den entsprechenden Entwicklungsstand von 2017 erweitert (siehe Markierung O“).

Schweißverfahren bedingen in jedem Fall das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes mindestens eines Fügepartners, bei deren Verbindung intermetallische Phasen entstehen. Der Klebeprozess findet unter Verwendung von Ein- und Zweikomponentenklebern auf Epoxidharz- sowie Poly-urethanbasis statt. Je nach Anforderung können heiß-, warm- und kalthärtende Kleber eingesetzt werden. Beim Löten bleibt der Grundwerkstoff im festen Zustand, die Festigkeiten werden unter anderem durch die sich ausbildenden Diffusionszonen erzielt.

Diffusionsschichten zwischen Kupfer und Aluminium entstehen in Abhängig-keit des Massengewichtsverhältnisses zwischen Aluminium und Kupfer bei Erreichen einer Temperatur oberhalb von 450 °C. In Tabelle 2 sind die Härteeigenschaften der verschiedenen Phasen und der Grundwerkstoffe dargestellt [3]. Der Härteverlauf kann aus Bild 3 entnommen werden [3].

Bei der Herstellung von Fügeverbindungen der Grundwerkstoffe Aluminium und Kupfer ist eine Temperatur unter-halb der kritischen Phasenentstehung anzustreben.

Das von H. J. Peter [4] beschriebene Verfahren zum Fügen von Aluminium- und Kupferrohren unter Verwendung der Induktionserwärmung, das ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt wird, stellt weiterhin eine Möglichkeit dar, entsprechende Mischverbindungen herzustellen. Hierzu wird das Kupferrohr etwas angespitzt und in das ausgeweitete Aluminiumrohr eingesteckt. In einen Aufheizvorgang wird sowohl das Kupferrohr als auch das Aluminiumrohr vorgewärmt. Das Kupferrohr wird bei Erreichen der Aufheizzeit schlagartig in das Aluminium eingepresst. Dadurch wird das beschriebene Reaktionslot“ aus der Fügeverbindung herausgedrückt.

Schwierig sind die Reproduzierbarkeit dieser Fügeverbindung sowie die Anwendung unter Produktions- oder Baustellenbedingungen. Daher wird dem Flammlöten mit Lot und Flussmittel weiterhin ein hoher Stellenwert zukommen und eine geeignete Lötzusatzwerkstoffauswahl erfolgen müssen.

Lötverbindungen zwischen Verdampfer (Alu) und Verdichter (Anschluss Kupfer) finden seit vielen Jahren Anwendung in der Kältetechnik. In der Regel werden diese mit Zink-Aluminium-Legierung hergestellt, die aufgrund der Liquidustemperaturen zwischen 382 °C bis 450 °C zu den Weichloten gehören.

Eine Ausnahme bildet dabei die Legierung A 665 (S-ZNAl 22-415 / 475). In Bezug auf die Einteilung der Lote so-wie der ISO 857-2: 2007-03 [5] ist diese ZnAl-Legierung strenggenommen ein Hartlot, weil die Liquidustemperatur größer 450 °C ist.

In der Norm DIN EN 378-2 [6], Punkt 5.3.1.3, ist vermerkt, dass Weichlöten an kältemittelführenden Teilen durchgeführt werden darf, wenn die Festigkeit eine untergeordnete Rolle spielt. Weiterhin ist in Bezug auf Rohrleitungssysteme in der EN 378-2 (Punkt 6.2.3.2) das Weichlöten an nichtlösbaren Rohrleitungsverbindungen ausgeschlossen. Der Ausschluss ist im Wesentlichen auf die Einflussgröße Festigkeit zurückzuführen.

Löten von Mischverbindungen Kupfer / Aluminium

Die Lötbarkeit stellt die Eigenschaft eines Bauteils dar, durch das Löten so hergestellt zu werden, dass die Fügeverbindung ihre Anforderungen erfüllt [7]. Die Lötbarkeit eines Bauteils ist nur gegeben, wenn die Einflussgrößen (Merkmale) Löteignung, Lötmöglichkeit und Lötsicherheit vorhanden sind (Bild 4). In den folgenden Abschnitten soll auf diese drei Einflussfaktoren eingegangen werden, um die Frage der Lötbarkeit zu beantworten.

Auswahl geeigneter Grundwerkstoffe, Lote und Flussmittel (Löteignung)

In der DIN EN 14276-2 [8] Druckgeräte für Kälteanlagen und Wärmepumpen“ sind zum Thema Löten im Punkt 4.3.1.1 die zu verwendenden Grundwerkstoffe für Rohre nach ISO 15608 [9] vorgeschrieben (Tabelle 3 und Tabelle 4).

Alle Kupfer- und Kupferlegierungen nach Tabelle 4 sind gut lötgeeignet. In der Praxis wird Reinkupfer als Grundwerkstoff (31) am häufigsten angewendet. Eine Verwendung von eisenlegierten Kupferwerkstoffen (CuFe 2 P) ist nach DIN EN 14276-2 [8], Punkt 4.3.1.2, ebenso möglich. Dieser Grundwerkstoff besitzt eine gute Löteignung unter Verwendung von Hart- und Weichloten (siehe hierzu auch den Artikel Einsatz von CU-P-Loten an niedrig mit Eisen legiertem Kupferwerkstoff“ in der KK 4/2015 [10]).

Tabelle 5 zeigt die Löteignung von Aluminiumlegierungen sowie die Temperaturbereiche von Grund- und Zusatzwerkstoffen. Der braune Balken kennzeichnet die Weichlote (ZnAl-Legierungen), der graue Balken stellt den Temperaturbereich der Hartlote (AlSi-Legierungen) dar. Zusätzlich sind noch die Gefügeausbildungen und deren Änderung bei Wärmeausdehnung zu berücksichtigen. Die Löteignung steht im unmittelbaren Zusammenhang mit dem verwendeten Lot sowie dem Flussmittel. Aus einer relativ kleinen Auswahl an Hart- und Weichloten haben sich in Europa ein bis zwei Legierungen am Markt etabliert.

Zinnbasislote, die weiterhin für eine Fügeverbindung möglich sind, werden aufgrund ihrer geringen Festigkeiten in dieser Veröffentlichung nicht berücksichtigt. Die allgemein angewandten Flussmitteltypen sind nach ihrer Verwendung zum Hart- oder Weichlöten in Tabelle 7 aufgezeigt. Wenn unter atmosphärischen Bedingungen gelötet wird, ist das Flussmittel nach der Aluminiumlegierung sowie nach der Arbeitstemperatur auszuwählen.

Als Richtschnur sind die nicht korrosiven Flussmittel bis zu einem Magnesiumgehalt von 0,7 Prozent und die korrosiven Flussmittel bis zu 3 Prozent Magnesiumanteil in den lötgeeigneten Aluminiumlegierungen einsetzbar.

Löttechnische Fertigung (Lötmöglichkeit)

Abgesehen von schweißtechnischen Fügemöglichkeiten mit den beschriebenen Problematiken können die Mischverbindungen aus Aluminiumlegierungen und Kupfer durch die in Tabelle 1 genannten Fügeverfahren hergestellt werden. Welches Verfahren zum Einsatz kommt, muss im Einzelnen analysiert und unter Berück-sichtigung aller wesentlichen Einflussfaktoren ausgewählt werden. Dabei ist eine Entscheidungsmatrix gemäß DIN 8514 [7]) sinnvoll. Ein Beispiel ist in Tabelle 8 dargestellt.

Konstruktive Gestaltung der Verbindung (Lötsicherheit)

Die Lötsicherheit berücksichtigt im Wesentlichen die konstruktive Gestaltung sowie den Beanspruchungszustand der Lötverbindung. In Tabelle 9 sind die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lötsicherheit genannt.

Aus der konstruktiven Gestaltung und der Lötmöglichkeit ergibt sich explizit bei der Mischverbindung zwischen Kupfer und Aluminium die Frage, welcher Fügepartner eingesteckt wird. Diesbezüglich gibt es in der Praxis nur subjektive Aussagen. Beide Varianten sind möglich; ein Zusammenhang zwischen Unregelmäßigkeiten und deren Abhängigkeiten ist nicht nachgewiesen. Die Variante eingestecktes Kupferrohr“ kann sich auf die Wärmeführung und die damit verbundene Unterschreitung der kritischen Bauteiltemperatur von 450 °C positiv auswirken.

Einstecktiefen zwischen 10 und 20 mm haben sich in Abhängigkeit von dem Rohrdurchmesser sowie der Wanddicke bei den Mischverbindungen bewährt. Die löttechnische Faustformel Überlappungslänge = 3…6 x Bauteildicke“ kann bei Fügeverbindungen Al/Al angewendet werden.

Teil 2 der Artikelreihe erscheint in der KK 11/2017 und behandelt die Prüfung der Verbindungseigenschaften, die Eigenschaften von Lötverbindungen unter Einsatz von ZnAl-Loten. Außerdem werden die Ergebnisse der Betrachtungen zum Thema zusammengefasst.

www.voestalpine.com/welding

European Welding Engineer, Ingenieur für Anwendungstechnik, Beratung Hart- und Hochtemperaturlöten, Voestalpine Böhler Welding Fontargen GmbH, Eisenberg

Schweißfachingenieur, Technischer Außendienst, Voestalpine Böhler Welding Fontargen GmbH, Eisenberg

Literatur

 [1]Aluminium Vereinigte Metallwerke Ranshofen Berndorf AG: Merkblatt 16 Weich- und Hartlöten, Ausgabe: unbekannt

 [2]Überblick über die Schweißverfahren zum Verbinden von Kupfer mit Aluminium, Horst Erhardt, ZIS-Mitteilungen, Heft 1/1972

 [3]Vortrag von Prof. Bergmann, TU Ilmenau/DKI-Unterlagen vom 3. November 2011

 [4]Induktionslöten: Grundlagen – Anlagentechnik – In- duktoren – Effektive Löttechnologien, H. J. Peter, Ex-pert Verlag, Ausgabe 2013

 [5]DIN ISO 857-2: Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – Teil 2: Weichlöten, Hartlöten und verwandte Begriffe, März 2007

 [6]EN 378-2: Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen, Konstruktion, Herstellung, Prüfung, Kennzeichnung und Dokumentation, Ausgabe 2008

 [7]DIN 8514: Lötbarkeit, Mai 2006

 [8]EN 14276-2: Druckgeräte für Kälteanlagen und Wärmepumpen, Teil 2: Rohrleitungen, August 2007

 [9]ISO 15608: Richtlinien für eine Gruppeneinteilung von metallischen Werkstoffen, Ausgabe Juli 2000

[10]Die KÄLTE + Klimatechnik: Einsatz von CU-P-Loten an niedrig mit Eisen legiertem Kupferwerkstoff, Ausgabe 4/2015